蚯蚓生態(tài)毒理生物分子標記及其作用

董欣欣

摘要：該文主要論述了蚯蚓生物分子標記研究，并對生物分子標記在土壤污染生態(tài)風險評價中的作用及發(fā)展前景進行展望。

關(guān)鍵詞：生物分子標記；土壤污染；蚯蚓

土壤污染作為重要的環(huán)境問題已經(jīng)日益受到世界性關(guān)注。以化學方法評價土壤污染及其危害程度具有低估污染物生物有效性，無法追蹤代謝產(chǎn)物毒性、無法鑒定復(fù)合毒性等局限。因此，許多生物體特殊的分子、生化或行為等變化被用作標記指標污染物的毒性作用強度。

生物標記物有以下特點：1） 指示污染物生物有效性的積累毒性效應(yīng)；2） 確定污染物暴露的風險對應(yīng)關(guān)系，從機理上解釋生物體受危害的原因；3）不同營養(yǎng)級的生物為試驗物種可揭示不同途徑的污染生態(tài)毒性；4） 指示母體污染物與代謝產(chǎn)物暴露的毒性效應(yīng)；5） 指示復(fù)合污染的毒性相互作用關(guān)系；6） 將不同層次生物（個體、種群、群落）的系列毒性響應(yīng)綜合起來，通過生物標記物的短期變化，預(yù)測污染物的長期生態(tài)毒性效應(yīng)。

一、蚯蚓生物分子標記研究

目前，蚯蚓生物分子標記主要有以下類型：

1、細胞結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)的生物標記

包括溶酶體膜穩(wěn)定性免疫力檢測，DNA斷鏈的電泳彗星分析，精細胞的數(shù)量及形態(tài)變化[1]。上述生物標記屬于細胞或亞細胞水平生物標記物。

2、解毒酶系和解毒相關(guān)蛋白的毒性生物標記

包括一相解毒酶，如細胞色素P450酶；二相解毒酶，如谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶（GSTs）；抗氧化相關(guān)的酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶和過氧化物酶等；金屬硫蛋白等[2]。目前，除金屬硫蛋白以外，上述解毒蛋白的研究主要集中在監(jiān)測其酶活力，相應(yīng)的基因轉(zhuǎn)錄影響報道則較少。部分解毒酶具有多種同工酶，如細胞色素P450，它有不同基因編碼，這些基因在外源污染物脅迫下的表達變化很可能不一致。研究其基因表達變化，更有助于揭示污染物的致毒機理。

3、間接參與解毒代謝過程的分子響應(yīng)生物標記

間接參與解毒代謝過程的分子響應(yīng)生物標記包括蛋白分子伴侶-熱休克蛋白家族（HSP90、HSP70、HSPLW），與蚯蚓生殖相關(guān)的生物標記（如多肽Annetocin）等。這一類生物標記有些雖然不直接參與解毒，但在保護細胞中起重要作用。目前，蚯蚓HSPs研究多采用蛋白質(zhì)免疫雜交方法進行定量分析，但其基因序列表達的研究尚未見報道。

4、蛋白表達、代謝物整體變化標記

蚯蚓代謝物中小分子量代謝產(chǎn)物的變化，蛋白表達模式的變化研究涉及代謝組學（metabolomics）和蛋白質(zhì)組學（proteomics），是近幾年發(fā)展起來的新學科。代謝組學是對某一生物或細胞中所有低分子量代謝產(chǎn)物進行定性和定量分析的學科，已廣泛應(yīng)用于疾病及藥物研究。蛋白質(zhì)組學是獨立于基因組學而發(fā)展起來的新興前沿學科，它可在特定時間和空間內(nèi)研究完整生物體（或細胞）所表達的全體蛋白質(zhì)特征，包括蛋白的表達水平，翻譯后的修飾，蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)相互作用等。

二、蚯蚓生物分子標記在土壤污染生態(tài)風險評價中的作用

蚯蚓的土壤污染生態(tài)毒理生物標記物的研究仍然處于發(fā)展階段，但可以看到污染對蚯蚓的影響是復(fù)雜的。差異表達基因通過各種途徑共同響應(yīng)外界污染物的脅迫，涉及能量代謝、蛋白質(zhì)合成、解毒與抗氧化、金屬離子調(diào)節(jié)與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、產(chǎn)卵生殖等方面。其中不乏找到敏感的生物標記物，理想的生物標記物應(yīng)具有特異性和應(yīng)用性?；蛟S有些生物標記不十分理想，但若具有某種特異性，即對低濃度污染早期診斷具有潛在作用。污染脅迫下的基因表達響應(yīng)是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，各種因素之間存在著許多關(guān)聯(lián)。研究各種差異表達基因之間的相互關(guān)系，弄清整體調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對全面了解污染物在生物體內(nèi)引起的毒性效應(yīng)及致毒機理具有重要意義。

三、蚯蚓生物分子標記在土壤污染生態(tài)風險評價中的發(fā)展前景

蚯蚓是土壤污染生態(tài)毒理學研究的模式生物，鑒于蚯蚓基因組尚未完成測序，篩選得到污染脅迫下蚯蚓的差異表達基因，將為土壤生態(tài)毒理基因組學的研究提供一些有益信息?？焖俳?jīng)濟發(fā)展帶來環(huán)境污染問題越來越復(fù)雜，采用分子生物學的手段探索環(huán)境污染的生態(tài)效應(yīng)，符合人類健康與社會經(jīng)濟發(fā)展長遠持續(xù)發(fā)展的必然需要。蚯蚓生物標記研究可為突然生態(tài)環(huán)境風險評價提供有效的實用方法。新的發(fā)現(xiàn)將是對土壤污染生態(tài)學的發(fā)展做出新的貢獻。

參考文獻

[1] GIGGLEMAN M A， FITZPATRICK L C， GOVEN A J， et al. Effects of pentachlorophenol on survival of earthworms （Lumbricus terrestris） and phagocytosis by their immunoactive coelomocytes[J]. Environmental Toxicology and Chemistry， 1998， 17：2391–2394.

[2] BOOTH L H， OHALLORAN K. A comparison of biomarker responses in the earthworm Aporrectodea caliginosa to the organophosphorus insecticides diazinon and chlorpyrifos[J]. Environmental Toxicology and Chemistry， 2001， 20： 2494–2502.